賈保印

中國寰球工程有限公司北京分公司

液化天然氣(liquefied natural gas,簡稱LNG)槽車在液化天然氣輸送方面有著巨大的市場需求，是管道輸配的重要補充手段[1]。LNG槽車受長途運輸和環(huán)境溫度的影響，罐車儲罐內(nèi)氣相空間溫度較高，進入LNG接收站裝車時會產(chǎn)生較多蒸發(fā)氣(boil off gas,簡稱BOG)。隨著LNG槽車運輸距離、氣象環(huán)境等不同，LNG槽車裝車時產(chǎn)生的BOG具有產(chǎn)生時間隨機，溫度、壓力、流量等參數(shù)不穩(wěn)定的特點。產(chǎn)生的低溫BOG通過裝車撬的回氣管線進入裝車區(qū)的回氣總管，將回氣總管中常溫天然氣置換，后者進入接收站BOG總管，將對BOG壓縮機、再冷凝器等設備的平穩(wěn)運行造成較大影響。因此，LNG槽車裝車時BOG的處理工藝在接收站運行中極為關鍵。

HYSYS Dynamic模擬軟件可用于模擬分析石油化工裝置的工藝過程，反映實際生產(chǎn)中流量、溫度、壓力、產(chǎn)品組成等工藝參數(shù)隨時間的變化過程以及對干擾因素的響應，指導生產(chǎn)裝置的正常操作、穩(wěn)定運行[2-4]，已被國內(nèi)外研究機構和工程公司廣泛應用[5-16]。采用該軟件實時模擬不同BOG處理工藝中裝車過程產(chǎn)生的BOG壓力、溫度、流量等參數(shù)隨時間的變化，在保證裝車安全性的前提下，盡可能降低因裝車BOG返氣對BOG壓縮機、再冷凝器和低壓泵等設備運行穩(wěn)定性的影響，并降低運行操作費用。

1 LNG槽車裝車BOG處理工藝

目前，LNG接收站槽車裝車主要有兩種方式，一種是帶壓裝車，另一種是不帶壓裝車，即BOG壓縮外輸或再冷凝。兩者最主要的區(qū)別是：當LNG 裝車時，槽車是否與LNG接收站的BOG 系統(tǒng)相連通[17]，體現(xiàn)在裝車撬的回氣管線上是否設置有壓力控制閥，主要流程圖如1所示。

1.1 帶壓裝車工藝

在LNG裝車撬的氣相管線上設置有壓力控制閥，壓力取壓點為LNG槽車側的氣相壓力，壓力表控制點通常為0.3 MPa。LNG槽車裝車時，當LNG槽車側儲罐操作壓力(表壓,下同)高于0.3 MPa，控制閥打開，此時槽車儲罐的BOG會流至BOG總管，進入BOG壓縮機進行增壓外輸；當LNG槽車側儲罐的操作壓力小于0.3 MPa，控制閥處于關閉狀態(tài)，此時槽車儲罐的BOG無法排入BOG總管，一直封閉在LNG槽車儲罐內(nèi)，避免了BOG進入BOG壓縮機系統(tǒng)。這種裝車方式減少了BOG的產(chǎn)生，有效避免BOG返氣，減少對站內(nèi)BOG系統(tǒng)的影響。由于LNG槽車儲罐操作壓力較高，操作人員在裝車過程中必須時刻關注每輛槽車的壓力，增加了人工巡查成本和裝車安全風險。

1.2 BOG壓縮外輸或再冷凝工藝

LNG裝車撬的氣相管線上未設置有壓力控制閥，LNG槽車裝車時，LNG槽車裝車過程中因泄壓、吸熱、置換、閃蒸等因素產(chǎn)生的BOG直接泄放至BOG總管，進入BOG壓縮機增壓外輸或者再冷凝器冷凝。LNG槽車裝車時產(chǎn)生BOG一般溫度較高且流量不穩(wěn)定，BOG返氣量較大時會導致儲罐壓力升高、BOG壓縮機入口溫度升高、BOG壓縮機的負荷波動大、外輸溫度高、再冷凝器操作壓力及溫度操作不穩(wěn)定，尤其是在夏季最小外輸工況下，增加了對再冷凝器及BOG系統(tǒng)穩(wěn)定控制的難度。此外，無論直接外輸還是再冷凝工藝，BOG量的增大均會增加BOG壓縮機的功耗，提高了裝置的運行費用。

2 計算基礎參數(shù)

2.1 LNG槽車儲罐及裝車工藝參數(shù)

LNG槽車儲罐的基本數(shù)據(jù)及裝車工藝參數(shù)見表1和表2。計算基礎參數(shù)基于以下假定條件：

(1) LNG槽車卸車后剩余液體率占槽車儲罐容積為5%。

(2) LNG槽車到站裝載前壓力為0.2 MPa。

(3) LNG槽車到站裝載前儲罐處于飽和狀態(tài)，飽和溫度為-146.5 ℃。

(4) LNG槽車裝車后的液體容積為45 m3，LNG槽車儲罐最大充裝率76.5%。

表1 LNG槽車儲罐的基本數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of LNG truck tank基礎參數(shù)數(shù)值設計壓力/MPa0.74操作壓力/MPa0.1～0.7設計溫度/℃-196直徑/m2.41長度/m12.85安全閥的泄放壓力/MPa0.86安全閥的整定壓力/MPa0.74

表2 主要裝車工藝參數(shù)Table 2 Main parameters of LNG truck loading process工藝參數(shù)數(shù)值低壓LNG的操作壓力/MPa0.6低壓LNG的操作溫度/℃-155BOG回氣管線控制閥設定壓力/MPa0.3LNG槽車裝車最大速率/(m3·h-1)60LNG槽車儲罐最大充裝率/%76.5LNG槽車儲罐卸車后剩余液體率/%5LNG槽車裝載前壓力/MPa0.2LNG槽車裝載前飽和溫度/℃-146.5

(5) BOG回氣管線壓力控制閥控制回路的設定值為0.3 MPa。

2.2 LNG槽車裝車動態(tài)模型

LNG槽車裝車動態(tài)模型的PID控制器主要有進料流量控制器、槽車儲罐回氣管線壓力控制器，均為反饋控制，如圖2所示。

3 動態(tài)模擬結果

3.1 帶壓裝車工藝

LNG槽車帶壓裝車過程中槽車儲罐壓力、溫度隨裝車時間的變化趨勢如圖3所示；槽車裝車流量、槽車儲罐充裝率及裝車期間BOG產(chǎn)生量隨裝車時間的變化趨勢如圖4所示。

從圖3、圖4可以看出，LNG裝車開始時間為第5 min，LNG槽車開始裝車時，槽車內(nèi)介質處于氣液平衡狀態(tài)，操作壓力為0.2 MPa，操作溫度為-146.5 ℃。LNG槽車與裝車撬連接完畢后，不對LNG槽車儲罐泄壓，而直接將LNG注入槽車儲罐中，隨著裝車時間的運行，槽車儲罐內(nèi)的操作壓力逐漸降低，裝車完畢后儲罐壓力為0.12 MPa；儲罐內(nèi)的操作溫度逐漸降低，裝車完畢后儲罐溫度為-151 ℃。主要原因是隨著裝車的進行，過冷的LNG進入槽車儲罐同儲罐氣相空間中的BOG混合，將冷量傳遞給BOG，大量BOG被冷凝下來，儲罐內(nèi)的壓力和溫度隨著BOG冷凝為LNG而逐漸降低，最終降至0.12 MPa，整個裝車期間產(chǎn)生的BOG量為零。

3.2 BOG壓縮外輸或再冷凝工藝

LNG槽車不帶壓裝車過程中槽車儲罐壓力、溫度隨裝車時間的變化趨勢如圖5所示；槽車裝車流量、槽車儲罐充裝率及裝車期間BOG產(chǎn)生量隨裝車時間的變化趨勢如圖6所示。

從圖5、圖6可以看出，LNG槽車開始裝車時，槽車內(nèi)介質處于氣液平衡狀態(tài)，操作壓力為0.2 MPa，操作溫度為-146.5 ℃。LNG槽車與裝車撬連接完畢后，將LNG注入LNG槽車儲罐，此時儲罐充裝和泄壓同時進行，儲罐內(nèi)的壓力急劇降低，儲罐中儲存的已有氣相流體泄壓產(chǎn)生的BOG、已有液相流體閃蒸產(chǎn)生的BOG、裝車閃蒸產(chǎn)生的BOG、裝車置換產(chǎn)生的BOG、儲罐漏熱產(chǎn)生的BOG通過BOG支管送入BOG總管，經(jīng)BOG壓縮機增壓后輸送至外輸管網(wǎng)或再冷凝器冷凝。隨著裝車時間的運行，槽車儲罐內(nèi)的操作壓力逐漸降低，裝車完畢后儲罐壓力為0.045MPa；儲罐內(nèi)的操作溫度逐漸降低，裝車完畢后儲罐溫度為-157 ℃，裝車期間BOG的產(chǎn)生量隨裝車時間逐漸增大。

4 兩種BOG處理工藝模擬結果分析

將帶壓裝車和不帶壓裝車兩種工藝的動態(tài)模擬結果進行分析，如圖7～圖10所示。

從圖7～圖10可以看到，帶壓裝車具有以下明顯優(yōu)勢：

(1) LNG槽車裝車結束時，帶壓裝車方式槽車儲罐壓力比不帶壓裝車方式儲罐壓力高出一倍。主要原因如下：帶壓裝車時，原有槽車儲罐中的BOG未被排出，已有熱量積聚在槽車儲罐中，導致儲罐壓力和溫度升高；裝車過程中，LNG的注入會壓縮儲罐氣相空間的容積，導致儲罐壓力和溫度升高；裝車過程中，LNG注入過程無法閃蒸，低壓LNG泵做功的能量被積聚在槽車儲罐中，也會造成LNG儲罐的壓力和溫度升高。

(2) LNG槽車裝車結束時，帶壓裝車方式裝車累積流量小于不帶壓裝車方式累積流量。帶壓裝車過程中既避免了注入LNG的閃蒸，又使槽車儲罐氣相空間中的BOG冷凝成LNG，明顯降低了需注入LNG槽車的LNG總量。

(3) LNG槽車裝車結束時，帶壓裝車方式可節(jié)省BOG產(chǎn)生累積量約為940 kg，按照單臺裝車撬每天充裝10次，則單臺裝車撬每天BOG排放總量減少約9 400 kg，明顯降低了BOG壓縮機功耗，在降低設備運行費用的同時，也延長了設備的使用壽命。

(4) 帶壓裝車結束后的儲罐壓力較高，使下游用戶在卸車時節(jié)約增壓設備的運行能耗，減少卸車時間，達到多方共贏的效果。

5 結 論

采用流程模擬軟件實時模擬了兩種LNG槽車裝車過程中產(chǎn)生BOG的壓力、溫度、流量等參數(shù)隨時間的變化，由模擬結果的對比分析可得：裝車結束時帶壓裝車方式槽車儲罐的壓力高于不帶壓裝車方式儲罐的壓力；帶壓裝車累積流量小于不帶壓裝車方式累積流量；帶壓裝車方式不產(chǎn)生BOG，降低了BOG壓縮機的負荷，減少了設備的運行費用，延長了設備的使用壽命；帶壓裝車可節(jié)省下游用戶卸車時增壓設備的運行能耗，減少卸車時間，因此，帶壓裝車具有可行性和經(jīng)濟性。

參考文獻

[1] 肖超然. 槽車裝車方式對LNG接收站的影響[J]. 科學管理， 2017, 11: 226.

[2] 郝吉鵬， 張雷. 乙烯裝置脫乙烷塔的動態(tài)模擬分析[J]. 化工技術與開發(fā), 2013, 42(7): 51-56.

[3] 張永銘, 楊燾, 劉博. 動態(tài)模擬在芳烴抽提裝置設計中的應用[J]. 化學工程, 2011, 39(11): 88-91.

[4] 陳文峰, 劉培林, 郭洲, 等. 復雜物系壓力容器安全閥泄放過程的HYSYS動態(tài)模擬[J]. 天然氣與石油, 2013, 28(6): 55-57.

[5] 馮傳令, 楊勇. 原油容器安全閥火災工況泄放量動態(tài)模擬[J]. 石油工程建設， 2006, 32(6): 9-12.

[6] 張立寧, 姚云, 商麗娟, 等. 低溫LNG管道熱力安全閥泄放過程研究. 化學工業(yè)與工程技術[J]， 2013, 34(4): 56-58.

[7] 楊天宇, 朱海山, 郝蘊, 等. 壓力容器火災工況安全閥泄放質量流量的動態(tài)研究[J]. 石油與天然氣化工, 2014, 43(2): 208-212.

[8] 鄭志剛, 潘澍宇, 鄧婷婷, 等. 碳四容器安全閥火災工況泄放的動態(tài)模擬[J]. 廣州化工, 2013, 41(22): 202-204.

[9] 賈保印, 林暢. LNG液化廠脫乙烷塔系統(tǒng)的動態(tài)模擬[J]. 石油與天然氣化工, 2016, 45(2): 43-46.

[10] 孔錄, 董秀芹, 張敏華. 高濃度乙烯精餾塔靈敏板選擇的動態(tài)模擬研究[J]. 計算機與應用化學, 2014, 31(5): 562-566.

[11] 李燕. 輕烴回收系統(tǒng)的模擬研究與應用[D]. 成都: 西南石油大學, 2007.

[12] 鄧勵強, 呂志軍, 李寧, 等. LNG接收站再冷凝系統(tǒng)穩(wěn)定性動態(tài)模擬研究[J]. 石油與天然氣化工, 2016, 45(2): 33-38.

[13] 劉茜, 李春磊. 海洋平臺壓力容器安全閥最大泄放量的確定[J]. 船海工程, 2013, 42(3): 182-183.

[14] 王天柱. 三相分離器安全閥火災工況的模擬和分析[J]. 中國造船, 2013(8): 524-530.

[15] 郭洲, 曾樹兵, 陳文峰. 用動態(tài)模擬技術進行油氣田工藝處理系統(tǒng)開停工方案的研究[J]. 天津化工， 2013, 27(5): 20-23.

[16] 高曉新, 王穎, 陶陽, 等. 穩(wěn)態(tài)及動態(tài)模擬在丙烷-異丁烷分離中的應用[J]. 現(xiàn)代化工， 2014, 34(5): 154-156.

[17] 陳輝, 周運妮. LNG接收站裝車區(qū)BOG處理方案優(yōu)化[J]. 輸送與儲運， 2014, 33(5): 10-13.